原则二 - 里氏替换原则

在上一节《开闭原则——面向对象设计原则》中,我们详细介绍了开闭原则,本节我们来介绍里式替换原则。

里氏替换原则的定义

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)由麻省理工学院计算机科学实验室的里斯科夫(Liskov)女士在 1987 年的“面向对象技术的高峰会议”(OOPSLA)上发表的一篇文章《数据抽象和层次》(Data Abstraction and Hierarchy)里提出来的,她提出:继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立(Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects)。里氏替换原则主要阐述了有关继承的一些原则,也就是什么时候应该使用继承,什么时候不应该使用继承,以及其中蕴含的原理。里氏替换原是继承复用的基础,它反映了基类与子类之间的关系,是对开闭原则的补充,是对实现抽象化的具体步骤的规范。

里氏替换原则的作用

里氏替换原则的主要作用如下。

  1. 里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。
  2. 它克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。
  3. 它是动作正确性的保证。即类的扩展不会给已有的系统引入新的错误,降低了代码出错的可能性。

里氏替换原则的实现方法

里氏替换原则通俗来讲就是:子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有的功能。也就是说:子类继承父类时,除添加新的方法完成新增功能外,尽量不要重写父类的方法。如果通过重写父类的方法来完成新的功能,这样写起来虽然简单,但是整个继承体系的可复用性会比较差,特别是运用多态比较频繁时,程序运行出错的概率会非常大。如果程序违背了里氏替换原则,则继承类的对象在基类出现的地方会出现运行错误。这时其修正方法是:取消原来的继承关系,重新设计它们之间的关系。关于里氏替换原则的例子,最有名的是“正方形不是长方形”。当然,生活中也有很多类似的例子,例如,企鹅、鸵鸟和几维鸟从生物学的角度来划分,它们属于鸟类;但从类的继承关系来看,由于它们不能继承“鸟”会飞的功能,所以它们不能定义成“鸟”的子类。同样,由于“气球鱼”不会游泳,所以不能定义成“鱼”的子类;“玩具炮”炸不了敌人,所以不能定义成“炮”的子类等。下面以“几维鸟不是鸟”为例来说明里氏替换原则。【例2】里氏替换原则在“几维鸟不是鸟”实例中的应用。分析:鸟一般都会飞行,如燕子的飞行速度大概是每小时 120 千米。但是新西兰的几维鸟由于翅膀退化无法飞行。假如要设计一个实例,计算这两种鸟飞行 300 千米要花费的时间。显然,拿燕子来测试这段代码,结果正确,能计算出所需要的时间;但拿几维鸟来测试,结果会发生“除零异常”或是“无穷大”,明显不符合预期,其类图如图 1 所示。

“几维鸟不是鸟”实例的类图
图1 “几维鸟不是鸟”实例的类图

程序代码如下:


package principle;
public class LSPtest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Bird bird1=new Swallow();
        Bird bird2=new BrownKiwi();
        bird1.setSpeed(120);
        bird2.setSpeed(120);
        System.out.println("如果飞行300公里:");
        try
        {
            System.out.println("燕子将飞行"+bird1.getFlyTime(300)+"小时.");
            System.out.println("几维鸟将飞行"+bird2.getFlyTime(300)+"小时。");
        }
        catch(Exception err)
        {
            System.out.println("发生错误了!");
        }
    }
}
//鸟类
class Bird
{
    double flySpeed;
    public void setSpeed(double speed)
    {
        flySpeed=speed;
    }
    public double getFlyTime(double distance)
    {
        return(distance/flySpeed);
    }
}
//燕子类
class Swallow extends Bird{}
//几维鸟类
class BrownKiwi extends Bird
{
    public void setSpeed(double speed)
    {
           flySpeed=0;
    }
}

程序的运行结果如下:

如果飞行300公里:
燕子将飞行2.5小时.
几维鸟将飞行Infinity小时。

程序运行错误的原因是:几维鸟类重写了鸟类的 setSpeed(double speed) 方法,这违背了里氏替换原则。正确的做法是:取消几维鸟原来的继承关系,定义鸟和几维鸟的更一般的父类,如动物类,它们都有奔跑的能力。几维鸟的飞行速度虽然为 0,但奔跑速度不为 0,可以计算出其奔跑 300 千米所要花费的时间。其类图如图 2 所示。

“几维鸟是动物”实例的类图
图2 “几维鸟是动物”实例的类图
发布于 2019年04月06日 00:10
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